510-1鈾礦床垂直分帶規(guī)律的發(fā)現(xiàn)及其成因意義

張成江, 陳友良

(成都理工大學地球科學學院,成都 610059)

510-1鈾礦床垂直分帶規(guī)律的發(fā)現(xiàn)及其成因意義

張成江, 陳友良

(成都理工大學地球科學學院,成都 610059)

510-1鈾礦床中與成礦有關的石英、方解石脈在空間分布上顯示出與華南地區(qū)花崗巖型鈾礦床相似的“上酸下堿”的垂直分帶規(guī)律。礦床上部(1中段)為“酸帽”,主要發(fā)育石英脈;中部(2～4中段)為“酸堿共生帶”,石英脈與方解石脈均較發(fā)育;而下部(5～6中段及以下)則為“堿性基底”,大量發(fā)育方解石脈,未見石英脈,表明礦床第5中段附近(距現(xiàn)今地表深約200m)為“酸堿分離”的地球化學界面。由礦床淺部向深部,總體上方解石中Sr、Zr、Ba、Zn、U、Ni、Cr等微量元素的含量明顯增加,其中第5中段附近為多種微量元素的聚集地帶。方解石、石英的δCe、δEu值垂向變化也反映出5中段附近為成礦流體演化的氧化還原過度帶,與礦床“酸堿分離”的界面一致,暗示這一部位為一重要的流體成礦地球化學界面,亦是鈾發(fā)生突發(fā)成礦作用產(chǎn)生高度富集的部位。垂直分帶規(guī)律顯示出該礦床屬于典型的熱液礦床,深部找礦潛力還很大。

垂直分帶 碳硅泥巖型鈾礦床 若爾蓋

Zhang Cheng-jiang,Chen You-liang.D iscovery of vertical zon ing in the 510-1 uran ium deposit and its geological implications[J].Geology and Exploration,2010,46(3):0434-0441.

0 引言

碳硅泥巖型鈾礦床是中國鈾礦地質(zhì)工作者依據(jù)其產(chǎn)出的賦礦圍巖特征總結和建立起來的一種新的鈾礦類型,系指產(chǎn)于未變質(zhì)或弱變質(zhì)海相碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、泥巖及其過渡型巖類中的鈾礦床(劉興忠等,1997),在國外,類似的礦床一般稱為黑色頁巖型鈾礦床。若爾蓋地區(qū)是我國著名的碳硅泥巖型鈾礦床產(chǎn)區(qū),為我國十大鈾礦資源基地之一(陳友良, 2004)。前人對若爾蓋地區(qū)的研究由于長期受“地層控礦”表象的嚴重束縛,將周圍地層作為鈾源層,將研究重點放在大氣降水對地層的改造和富集上,對礦床的一些深部來源信息未能引起重視。

國內(nèi)外的找礦實踐證明,礦床垂直分帶規(guī)律研究是預測隱伏礦床(體)最為有效的理論和方法。國外,特別是前蘇聯(lián)非常重視鈾礦床垂直分帶的研究,他們十分重視礦物暈和元素暈的分帶性特征。由于傳統(tǒng)觀點認為碳硅泥巖型鈾礦受層位控制明顯,因而對該類型鈾礦床的垂直分帶性研究尚未見報導。筆者在野外調(diào)查中通過系統(tǒng)和細致的觀察,首次發(fā)現(xiàn)若爾蓋地區(qū)具有代表性意義的510—1鈾礦床中產(chǎn)出有大量與鈾成礦密切相關的熱液成因石英、方解石脈,且在空間分布上顯示出與華南地區(qū)花崗巖型鈾礦床相似的“上酸下堿”的垂直分帶規(guī)律,礦物微量元素地球化學研究也得到了證實。這種垂直分帶現(xiàn)象更說明本區(qū)的鈾礦床為典型的熱液成因鈾礦床,指示深部有較大的找礦潛力。上述成果和認識突破了中國碳硅泥巖型鈾礦成礦的傳統(tǒng)理論,對若爾蓋地區(qū)今后的深部找礦和預測工作具有重要的指導意義,同時對中國其它地區(qū)碳硅泥巖型鈾礦的找礦和勘查工作亦具有新的啟迪作用。

1 礦床地質(zhì)

1.1 區(qū)域鈾成礦概況

若爾蓋鈾礦田位于西秦嶺褶皺帶之南亞帶,分布于主要由古生界地層所構成的白龍江復背斜西段(毛裕年等,1989)。區(qū)內(nèi)所見規(guī)模最大的斷裂帶為白龍江斷裂帶,該斷裂帶實際上是東昆侖—阿尼瑪卿山深大斷裂帶(簡稱昆阿斷裂帶)的組成部分。

區(qū)域構造線以北西西向為主,北東向次之。鈾礦化與構造關系非常密切,鈾礦體常產(chǎn)于幾組不同方向斷裂構造的交叉部位。鈾礦田內(nèi)有多處溫泉分布,現(xiàn)今仍是一地熱異常區(qū),這一特點與我國典型熱液型鈾礦的產(chǎn)區(qū)一致。

區(qū)內(nèi)巖漿活動較強烈,鈾礦床在空間上的分布與巖漿巖具有密切關系,礦床分布東疏西密、礦床規(guī)模東小西大、礦石品位東貧西富的特點與中酸性侵入體在空間分布上所表現(xiàn)出的東疏西密的特點,以及中酸性巖漿活動東弱西強的特點相吻合(何明友,1993)。

礦田東西長約50km,南北寬約6km,面積約300km2。現(xiàn)已探明鈾礦床10余個,礦(化)點20余處。礦化種類繁多,類型復雜。在鈾礦床內(nèi),還產(chǎn)出有Mo、Ni、Zn、Au等金屬元素的礦化,大多已達到綜合利用的工業(yè)指標,部分還可單獨構成工業(yè)礦體(毛裕年等,1989)。

沿白龍江深大斷裂帶成礦作用具有明顯的分帶性,即由西向東,表現(xiàn)為Cu→Cu、Pb、Zn→Au、U→U、Au的成礦元素組合。這種分帶性反映出這些金屬元素在成礦作用上的內(nèi)在聯(lián)系。金、鈾成礦時代均集中于137～47Ma范圍內(nèi)(劉家軍,1996)。

1.2 510-1礦床地質(zhì)特征

510-1礦床位于若爾蓋鈾礦田西部,是若爾蓋鈾礦田最具代表性的典型礦床。

礦體賦存于志留統(tǒng)羊腸溝組上段由灰?guī)r、砂(板)巖及硅質(zhì)巖等組成的透鏡體內(nèi)。礦床內(nèi)斷裂構造比較發(fā)育,主要為NW向斷層,后被NE向斷裂所切割。巖層之間多為走向斷層接觸,斷裂規(guī)模大,分布廣,分枝復合較為復雜。礦體主要產(chǎn)于由F1和F2斷裂等所形成的構造破碎帶內(nèi)(圖1)。

該礦床現(xiàn)已圈定大小礦體30個,其中25個為盲礦體。由于該礦床深部尚未完全控制,可以預料今后在礦床深部尚會有新的礦體發(fā)現(xiàn)。礦體形態(tài)不規(guī)則,大多呈透鏡狀、柱狀、少量為脈狀,沿走向,傾向和厚度方向上變化不一,呈礦體群出現(xiàn)(圖2)。

礦石類型絕大部分屬碳酸鹽巖型,部分屬硅酸鹽巖型,但也呈現(xiàn)不同程度的碳酸鹽化。由于鈾礦化產(chǎn)于透水性能強而松脆的粉砂狀炭質(zhì)砂巖及灰?guī)r或硅質(zhì)巖等破碎帶內(nèi),所以礦石的結構構造較為復雜,一般多為角礫狀構造和細網(wǎng)脈狀構造,粉砂狀結構、壓碎結構和膠狀結構等。

圖1 510—1鈾礦床二中段地質(zhì)略圖Fig.1 Sketch geologicalmap of the m iddle section of 510-1 uranium deposit

圖2 510-1礦床0-1勘探線剖面示意圖Fig.2 Schematic profile of l ine 0-1 of 510-1 uranium deposit

礦石中的鈾主要以瀝青鈾礦的形式產(chǎn)出。吸附狀態(tài)的鈾賦存于炭質(zhì)、泥質(zhì)物中。次生鈾礦物主要以鈣鈾云母、銅鈾云母存在于地表淋積氧化帶中。礦石中的主要礦物成分為瀝青鈾礦、閃鋅礦、硫鐵鎳礦、針鎳礦、輝鎳礦、輝銅礦、黃銅礦、斑銅礦、黃鐵礦、白鐵礦、褐鐵礦、石英、方介石、重晶石、石膏等。鈾的次生礦物有鈣鈾云母、銅鈾云母等。

礦石中主要的化學成分為S iO2、CaO、Mg O、Fe2O3。伴生元素有Mo、V、P、S、Co、Ni、Zn等。其中Ni、Zn均已達到綜合利用標準。從目前的資料看,Ni的平均品位均超過了國家綜合利用標準的6～7倍,Zn達到了國家單獨開采的工業(yè)指標。

2 樣品的采集與分析

2.1 樣品的采集

經(jīng)詳細的野外地質(zhì)觀察,確定了與鈾成礦關系密切的熱液脈體,劃分了熱液脈體的期次。510-1鈾礦床現(xiàn)已開采至六中段(一個中段為40m),為了進行系統(tǒng)研究,分不同的中段(露天采場、2、5、6中段)進行了采樣。

2.2 樣品的分析測試

采用中子活化方法,分析了主成礦階段形成的石英和方解石的微量元素和稀土元素組成。樣品經(jīng)中國工程物理研究院池式反應堆中照射,中子注量率約為1×1013n/cm2.s,照射時間約10h,由四川省地學核技術重點實驗室采用美國CANBER公司生產(chǎn)的Ge (Li)半導體探測器加4096道分析器測定,相對誤差為5%～10%。分析結果列于表1和表2。

表1 成礦期方解石和石英脈微量元素含量(×10-6)Table1 Trace element content of m ineralized calcite and quartz veins(×10-6)

表2 成礦期方解石脈稀土元素含量(×10-6)及特征參數(shù)Table1 Rare earth element content and parameter of m ineralized calcite and quartz veins(×10-6)

3 垂直分帶特征

3.1 礦物組合垂直分帶

510-1鈾礦床中與鈾成礦密切相關的主成礦期熱液成因礦物(石英、方解石)具有明顯的垂直分帶性,表現(xiàn)出“上酸下堿”的垂直分帶特征:礦床上部(1中段)為“酸帽”,主要發(fā)育石英脈;中部(2～4中段)為“酸堿共生帶”,石英脈與方解石脈均較發(fā)育;而下部(5～6中段及以下)則為“堿性基底”,大量發(fā)育方解石脈,未見石英脈。這種垂直分帶現(xiàn)象更進一步說明本區(qū)的鈾礦床為典型的熱液成因鈾礦床。

此外從礦化類型和礦石礦物組合特征來看,在若爾蓋整個鈾礦田范圍內(nèi),自上而下可大體劃分出三個帶:

鐵鎳硫化物-鈾礦化帶:該帶產(chǎn)出標高在3520m以上,其特點是出現(xiàn)大量黃鐵礦及硫鐵鎳礦、針鎳礦、輝鎳礦等鐵鎳硫化物。

少硫化物-鈾礦化帶:該帶產(chǎn)出標高為3520m～3300m,其特點是硫化物主要是呈細脈狀及浸染狀的黃鐵礦、閃鋅礦、鐵鎳硫化物組合。

閃鋅礦-少鐵鎳硫化物-鈾礦化帶:該帶產(chǎn)出標高在3300m以下,其特點是閃鋅礦的出現(xiàn)頻率較高,鐵鎳硫化物少見。

3.2 礦石成分垂直分帶

510-1鈾礦床成礦元素U的分布具有一定的垂向變化特征(表3),從礦床地表至深部U的品位逐漸增加,在已經(jīng)開采的五、六中段發(fā)現(xiàn)有U品位>10%的特富礦石和礦體存在,結合脈體的垂直分帶規(guī)律判斷,510-1鈾礦床第5中段附近(距現(xiàn)今地表深約200m)可能為一“酸堿分離”的地球化學界面,亦是鈾發(fā)生突發(fā)成礦作用產(chǎn)生高度富集的部位。這一重要規(guī)律的揭示對若爾蓋地區(qū)今后的找礦和預測工作具有十分重要的指導意義。

在礦石化學成分上,產(chǎn)出標高在3520m以上的礦石,Zn、Mo含量低;產(chǎn)出標高在3300m以下的礦石中Zn、Mo含量較高,而V含量較低。

從瀝青鈾礦的含氧系數(shù)變化規(guī)律看,似有“上氧化,下還原”的分帶規(guī)律。產(chǎn)出標高在3520m以上的礦石中瀝青鈾礦的含氧系數(shù)高達2.61,雜質(zhì)含量相對較低;產(chǎn)出標高在3300m以下的礦石中瀝青鈾礦的含氧系數(shù)較低(X=2.55～2.56),且雜質(zhì)含量明顯偏高。

表3 510-1鈾礦床不同中段礦石鈾含量變化Table3 Uran ium content of ores in different sections of 510-1 deposit(%)

3.3 礦物微量元素垂向分帶

由于石英脈體只分布在礦床的上部,對研究微量元素的垂向變化作用不大,而方解石從礦床的二中段直到六中段以下都有分布,因此本文重點探討方解石中微量元素的垂向變化特征。考慮到方解石中U與Co、Ba、Ni、Zn、Sb、Zr呈顯著的正相關,下面著重討論這些相關元素的變化特征。

圖3為不同中段方解石中與U呈顯著正相關的微量元素含量變化圖,從該圖可以看出,從2中段到5中段方解石中的上述微量元素含量顯著增加,在5中段附近有一突出的峰值,反映5中段附近為上述微量元素的高度富集帶,與前述礦床的垂直分帶特征十分吻合。即510-1鈾礦床第5中段附近是一重要的流體成礦地球化學界面,是一個產(chǎn)生多種元素突發(fā)成礦作用的界面。成礦元素U以及微量元素高度富集在該部位,510-1鈾礦床在該部位產(chǎn)出的鎳礦與鋅礦礦體,有的已達到單獨開采的工業(yè)指標,便是有利的佐證。的相對穩(wěn)定,所形成的熱液礦物則出現(xiàn)Eu的負異常。而在相對氧化的環(huán)境下情況相反,Eu3+可較長時間地保存在溶液中,而Ce3+則被氧化成Ce4+并產(chǎn)生沉淀,導致流體中出現(xiàn)Ce的虧損和Eu的相對穩(wěn)定,所形成的熱液礦物則出現(xiàn)Ce的負異常。因此δCe和δEu值可以作為氧化還原環(huán)境的指示標志。

圖3 510-1鈾礦床不同中段方解石脈微量元素含量變化圖Fig.3 Variations of trace element content of calcite veins in different sections in 510-1 deposit

510-1鈾礦床中與鈾礦化關系密切的熱液成因方解石的δEu值為0.31～0.75,平均為0.61;δCe值為0.94～1.19,平均為1.04;表現(xiàn)為明顯的Eu負異常和比較穩(wěn)定的Ce含量,表明礦體中的方解石形成于比較還原的環(huán)境。石英的δEu值為0.31～1.07,平均為0.70;δCe值為0.80～1.04,平均為0.91;表現(xiàn)為既有Eu的正異常,也有Eu的負異常,而Ce含量亦相對穩(wěn)定,但總體上石英與方解石相比δEu值要大,而δCe值要小,反映其形成于比較氧化的環(huán)境。

為了更準確地探討流體成礦環(huán)境的變化,選取與成礦作用關系最密切的成礦期方解石和石英來進行深入討論。從表2可以看出,成礦期的方解石與石英相比,其δEu值明顯要小,而δCe值相對要大,說明石英相對于方解石形成時的氧逸度要高一些。這與石英產(chǎn)于礦床上部,而方解石主要分布在深部的垂直分帶規(guī)律一致。

由圖4可見,隨著礦床由深至淺,δCe值有逐漸

3.4 礦物δCe和δEu的垂向分帶

Ce、Eu是具有重要意義的變價元素,可隨環(huán)境的氧化還原條件不同而呈現(xiàn)不同的價態(tài)(涂光熾等,1998;趙振華,1997)。在相對還原的條件下, Ce3+可較長時間地保存在溶液中,而Eu3+則被還原成Eu2+沉淀,導致流體中出現(xiàn)Eu的虧損和Ce降低的趨勢,而δEu值則表現(xiàn)為逐漸升高,說明礦床的形成環(huán)境總體上由相對還原向相對氧化轉變。在5中段,δCe與δEu值有顯著變化,表明成礦流體的環(huán)境發(fā)生突變,導致U等成礦元素沉淀富集成礦,這也從另一側面說明5中段附近為流體成礦的地球化學界面。

4 討論及結論

我國對鈾礦床的垂直分帶規(guī)律研究主要集中在華南地區(qū)花崗巖型鈾礦床,認識到石英脈從礦床上部到下部出現(xiàn)有連續(xù)充填段→不連續(xù)充填段→蝕變破碎帶的垂向變化,存在早期脈在上,晚期脈在下的石英脈異期不連續(xù)逆向垂直分帶性;“在堿交代中會產(chǎn)生一個基本的垂向分帶規(guī)律:下部為堿交代,上部為氫交代(或稱酸交代),酸—堿分離,上酸下堿”(杜樂天,1983,1990)。金景福等多年來一直強調(diào)鈾礦床的脈石礦物在垂向上的分帶性,不少鈾礦床出現(xiàn)“螢石在上,方解石在下”的垂直分帶現(xiàn)象(金景福等,1992)?；◢弾r型熱液鈾礦床的形成與流體的混合和沸騰密切相關,鈾礦床中常見的“上酸下堿、上氧化下還原”的垂直分帶現(xiàn)象是流體混合和沸騰作用的綜合產(chǎn)物(倪師軍等,1994,1992),礦體的空間定位受流體混合和沸騰地球化學界面控制(張成江等,2001;倪師軍等,2001;張成江,2005)。

若爾蓋地區(qū)作為中國著名的碳硅泥巖型鈾礦床產(chǎn)區(qū)之一,自二十世紀60年代發(fā)現(xiàn)以來的40多年來,地質(zhì)勘探和礦山開采部門進行了較詳細的普查勘探工作,積累了豐富的實際地質(zhì)資料。與此同時,幾乎自礦床發(fā)現(xiàn)時起,不同單位或部門的地學家們相繼從不同角度開展了大量的專題研究(何明友等,1996a;何明友等,1996b;趙兵,1994,1996,2002;王駒,1991;曾天柱,2002;陳友良,2008),取得了許多成果,為該區(qū)鈾礦床的深入研究、成礦規(guī)律的探索奠定了良好的基礎,綜合前人從二十世紀60年代以來所作的研究工作,對該區(qū)鈾礦床的成因觀點主要有:表生氧化論或表生改造論(甘肅地礦局第五地質(zhì)隊,1980);地下水淋濾論(中國科學院地球化學研究所,1973;中國地質(zhì)科學院礦床地質(zhì)研究所, 1973,1975;陳一峰,1982;季洪芳等,1982);變質(zhì)分異論(甘肅地礦局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊,1973);構造擠壓浸出論(中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所,1975;中國科學院地球化學研究所,1976);“自生自儲”累積成礦說(毛裕年,1989);地層預富集—蝕變預富集—工業(yè)富集成礦“三步”論(王駒,1991);構造—巖漿活化成礦論(金景福,1994;何明友,1993)。除金景福等人在90年代的研究中注重了構造—巖漿作用外,以前的研究大多具有明顯的共性,這就是把周圍地層視為鈾源層,將大氣降水的淋濾或循環(huán)作為流體成礦的主要過程,然后圍繞這一中心,從各個不同角度展開研究,因而所得出的結論基本上大同小異。隨著近年來深部地質(zhì)勘查工作的開展和礦山對深部原生礦的開采揭露,發(fā)現(xiàn)了許多用傳統(tǒng)成因觀點無法解釋的地質(zhì)現(xiàn)象,深部流體成礦的跡象明顯。

由于受傳統(tǒng)觀點的束縛,對該區(qū)鈾礦床的垂直分帶性未引起人們的重視,至今未見研究報導。本次研究中對該區(qū)鈾礦床“上酸下堿,上氧化下還原”的垂直分帶規(guī)律的發(fā)現(xiàn),進一步說明鈾礦床為典型的熱液成因鈾礦床,其成因與華南地區(qū)花崗巖型鈾礦床有相似之處。

國內(nèi)外許多礦床的研究表明,構造在垂向上是有分帶性的,一般表現(xiàn)為淺部是張裂脆性,向下變?yōu)轫g性;地表發(fā)散,深部收斂。通過觀察,若爾蓋地區(qū)的鈾礦床也有類似的規(guī)律。510-1礦床地表多條規(guī)模較小的容礦斷裂向深部逐漸會聚成了較大規(guī)模的斷裂,礦體的厚度增大,品位有變富的趨勢。礦體形態(tài)的變化是:從地表至3562m中段(第2中段),由于密集的構造裂隙造成強烈的角礫化或片理化,礦體呈似網(wǎng)脈狀;往下100m已是延伸不長的線形礦體,角礫化和碎裂的作用已很有限。說明大致在第5中段以上為張性構造空間膨脹地帶,來自深部的成礦熱液上升至此由于壓力的驟降而產(chǎn)生減壓沸騰,在熱液沸騰過程中,由于酸性揮發(fā)份易于轉入蒸氣相(Drummondet al.,1985),大量的F2,SO2,O2等氣體從礦床下部向上部轉移,導致酸—堿分離,形成或加劇“上酸下堿,上氧化下還原”的垂直分帶現(xiàn)象(倪師軍,1994)。

綜上所述,我們認為若爾蓋碳硅泥巖型鈾礦床存在與華南地區(qū)花崗巖型鈾礦床相似的“上酸下堿,上氧化下還原”的垂直分帶規(guī)律,510-1礦床深部5中段附近為氧化還原和“酸堿分離”過度帶,是重要的流體成礦地球化學界面,亦是鈾發(fā)生突發(fā)成礦作用產(chǎn)生高度富集的部位。垂直分帶規(guī)律顯示出該礦床屬于典型的熱液礦床,深部找礦潛力還很大。

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D iscovery of Vertical Zon ing in the 510-1 Uran ium Deposit and its Geological I mplications

ZHANG Cheng-jiang,CHEN You-liang
(College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

We found for the first time the vertical zoning rule of gangue minerals(quartz and calcite)in the 510-1 uranium ore deposit that shows an acid top and alkaline bottom.Quartz veins developed on the top of the ore deposit(levelNo.1),both of quartz veins and calcite veins are in the middle(levelNo.2 to No.4),while on the bottom of the ore deposit(levelNo.5 to No.6 and below),only calcite veins are present but no quartz vein was found.The research indicates that there exist a geochemical interface for acid and alkali isolation nearbyNo.5 levelof the 510-1 uranium deposit(200m or so below present earth surface),which is also a high concentration position for uranium outburst ofmineralization.These results have broken the traditional theory on ore-forming of carbonaceous-siliceous-argillitic rock type uranium deposits.They have extremely important significance for ore exploration and prediction in the Zoige region in the future.Meanwhile,they are also an en enlightenment to exploration of other carbonaceous-siliceousargillitic rock types of uranium deposits.

vertical zoning,carbonaceous-siliceous-argillitic rock type uranium deposit,Zoige

book=5,ebook=40

P619.14

A

0495-5331(2010)03-0434-08

2010-04-27;[責任編輯]鄭 杰。

國家自然科學基金(編號:40872069);礦床地球化學國家重點實驗室開放基金(編號:200603);中國核工業(yè)地質(zhì)局科研課題“若爾蓋鈾礦田富大礦體定位條件和擴大方向研究”資助。

張成江(1955年-),男,教授,現(xiàn)主要從事鈾礦地質(zhì)、地球化學研究和教學工作,E-mail:zcj@cdut.edu.cn。